高精度同步時鐘授時系統在抽水蓄能電廠的應用

黃 鵬，龍福海，王 濤

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 引言

眾所周知，在當今社會，時間所扮演的角色是多么的重要。同樣作為對時工具的同步時鐘，在電力行業這個保障民生的行業中，其對時系統的高精度、高智能化，在支撐電站的正常運行中，同樣是有著舉足輕重的作用。同步時鐘，顧名思義就是具有高精度本振時鐘信號的可以對外接需要對時、守時的設備提供滿足其時鐘對時、守時精度的一套授時設備。目前主流的對時系統有GPS時鐘對時，北斗時鐘對時以及高精度同步時鐘對時系統，其中高精度同步時鐘主要有銣原子鐘、銫原子鐘。目前這些主流對時系統都比較成熟可靠，其對時精度也能滿足大部分客戶對精度的要求。基于河北省調度對電廠側同步時鐘穩定可靠的要求，經過我廠的綜合考慮，銣原子鐘作為備用時鐘，其精度、可靠性及經濟效益能滿足相關要求，因此我廠采用以銣原子鐘為本振時鐘的同步時鐘設備，與GPS時鐘、北斗時鐘組成深度冗余配置，統一接入HUAWEI Optix OSN 2500系列產品的SDH設備時鐘輸入板卡上。

2 電站原有通信設備介紹

張河灣電廠是一座日調節型的抽水蓄能電站，以一路500 kV線路經廉州變電站接入河北南部電網。張河灣-許營光傳輸電路，共設張河灣、許營2個光通信站，傳輸速率為622 Mb/s，設備采用SDH制式，線路側光接口采用1+1配置。承載省網SDH數據傳輸的主要任務，通過2 M數字中繼線與河北省調綜合數據網二平面相通。

張河灣光傳輸設備為HUAWEI Optix OSN 2500系列產品，部署于副廠房7樓通信設備室SDH1號設備柜內，主要由增強型子架、SL4單板、ETF8單板、D75S單板、PQ1單板、CXL4單板、SAP單板及電源和散熱模塊組成，配備雙風扇、雙路供電以提高可靠性。

3 改造背景及可行性

張河灣Optix OSN 2500光傳輸設備目前沒有外接時鐘晶振為設備提供高精度的同步時鐘信號，其自身配備的晶振僅能在時鐘信號丟失的情況下維持48 h的時鐘保持，且精度不足，若省公司時鐘信號丟失則我公司設備將處于自由震蕩狀態，可能會導致網絡中斷，給公司業務的安全穩定運行帶來很大的安全隱患。因此急需增設一套外部精準時鐘對時設備。

目前主流的時鐘對時方法主要有GPS時鐘對時、北斗時鐘對時及本地高精度同步時鐘授時系統對時方式。我廠通信設備采用的對時方式在改造前采取跟隨電力干線網的時鐘信號對時系統。但調度對于電廠間的信息通信的可靠性提出了更高的要求，當主對時系統故障或中斷時，要求依然能保證調度與電廠間的正常通信，因此需增加一套為通信設備提供高精度對時、守時的本地同步時鐘系統。因GPS、北斗時鐘受衛星、天線及極端惡劣天氣影響，經綜合考慮，我廠采用的是以銣原子鐘為本振的同步時鐘來實時跟蹤河北省電力公司骨干傳輸網時鐘基準信號，并與河北省電力公司側的時鐘精度保持一致，GPS時鐘信號作為后備時鐘的多重冗余同步時鐘授時系統。以期在其他時鐘信號丟失的情況下，依靠銣原子鐘的時鐘信號，與河北省電力公司保持正常的通信業務。

4 同步時鐘增設過程

光通信設備本身具備一旦外部時鐘源喪失時，利用其設備內部時鐘維持系統運行的能力。但自身配置的同步時鐘精度及可靠性不滿足長時間運行情況下對精度偏移的要求，因此我廠SDH設備配備2個外同步時鐘輸入接口和1個外同步時鐘輸出口，各接口特性符合ITU-T建議G.703中的相關要求。其時鐘輸入來源由以下3種：

（1）2 048 kb/s或2 048 kHz同步時鐘輸入，我廠主要采用2 048 kb/s。因為河北省網的局內定時分配原則為：BITS的定時輸出有2 048 kb/s和2 048 kHz兩類，以2 048 kb/s時鐘信號為首選[1]。

（2）從STM-N信號中恢復授時信號。

（3）從支路信號中提取授時信號[2]。

我廠同步時鐘改造前，時鐘信號跟隨電力干線網的時鐘信號占用其中1號外部同步時鐘接入接口。另一時鐘接入接口為備用接口。改造新加裝的高精度銣原子鐘自動授時系統利用之前剩余的備用接口接入2號外部時鐘接入接口。銣原子鐘設備采用型號為TimeProvider 1000ETSI的“泰坦時鐘”。

該時鐘采用特殊設計，將輸入、輸出、和時鐘功能集合在一個板卡上，方便將來進行擴容。該時鐘的子架僅需要3個模塊：兩個輸入、輸出、時鐘模塊（IOCS）和一個信息管理模塊（IMC），用來提供通信/告警接口。

TimeProvider設計采用Symmetricom公司的SmartClock技術，IOCs內置的振蕩器性能超群，準確度高。采用智能硬件算法，SmartClock在鎖定參考信號時學習時鐘老化的過程并將這些信息記憶存儲。當參考信號失效時，SmartClock利用存儲的數據補償頻偏的變化確保TimeProvider輸出高度穩定的同步定時信號。其系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

“泰坦時鐘”設計精度滿足省網對于SDH設備時鐘精度的要求。即：

（1）SDH設備時鐘的定時要求不劣于ITU-T建議G.813的要求。

（2）SDH設備時鐘應保持24 h以上不劣于±0.37 ppm，使業務不受損傷。

（3）時鐘帶寬：SDH設備時鐘帶寬應處于1～10 Hz范圍內。

（4）最小頻率牽引和失步范圍均應為±4.6 ppm。

當選定的定時基準丟失后，我廠SDH設備能自動地轉換至另一定時基準輸入。并且具有定時基準的自動恢復能力和手動恢復能力，在有效定時的情況下，自動恢復應在10～20 s范圍內切回。“泰坦時鐘”一直處于熱備用狀態，實時跟蹤來自河北省電力公司骨干傳輸網時鐘基準信號，并與基準信號時鐘頻率保持一致。

“泰坦時鐘”的時鐘模塊（IOC）在輸入基準參考時鐘有效的情況下，會經歷以下工作過程來進行授時：

預熱——加電后，IOC預熱需要20 min左右。

快鎖——預熱完成，IOC進入快速鎖定狀態。

正常鎖定——IOC快速鎖定完成后，即進入正常鎖定模式。如果設定在SSU模式，并且鎖定外部可用的基準參考源（PRS）后，TimeProvider輸出滿足G.811和GR-2830-CORE標準。

保持——如果參考信號失效，時鐘即進入保持模式。保持時TimeProvider輸出的準確度取決于IOC內部振蕩器的質量等級。

自由運行——如果IOC加電后沒有輸入參考，TimeProvider在預熱完成后即進入自由運行狀態。如果參考時鐘有效可用，TimeProvider即進入快速鎖定并最終進入正常鎖定狀態。

“泰坦時鐘”電源為雙電源供電方案，電源一路取自電廠廠用電交流電源，另一路取自電廠通信系統專用直流UPS電源，其直流UPS電源在全廠停電的狀態下滿足穩定供電大于48 h的設計需求，雙路電源設計大大提高了供電可靠性。

5 總結

我廠高精度同步時鐘經過實際測試，各項指標性能滿足預期要求。通過這次改造，電廠與省網之間的通信傳輸可靠性得到了進一步加強。在保證電站穩定可靠運行以及保障民生用電的道路上又邁出了堅實的一步。